In this thesis, we study the electromagnetic effect of the high-speed digital PCB in three sections. In first section, based on the FDTD modeling approach, the bridging effect of the isolation moat on the EMI caused by the ground bounce noise is investigated. We find that isolating the noise source by slits is effective to eliminate the EMI, but bridges connecting between two sides of the slits will significantly degrade the effect of EMI protection. In second section, we investigate both in time and frequency domains the power plane noise coupling to signal trace with via transition in multi-layered PCB. Separating the power plane with slits is effective in reducing noise coupling in high frequency but a new resonant mode will be excited at lower frequency. Current distribution pattern of this new resonant mode between the power planes helps us to understand this phenomenon more clearly. In final section, by using FDTD link SPICE method, we can predict the electromagnetic behavior of the PCB with active device effectively.

Compact fully anechoic chambers may gradually replace open area test sites as the preferred type of testing facility for the measurement of radiated emissions. This dissertation theoretically and experimentally investigates the suitability of a compact fully anechoic chamber with ferrite tiles being partially lined on the floor ground as a free-space environment at frequency range below 300MHz. The results show that, for vertical polarization, the practical chamber will behave like a free-space test site. However, for the horizontal polarization, it seems have relatively significant effect on the NSTL performance and will not behave well like a free-space test site. Based on FDTD modeling approach, a numerical tool with the measuring tunable dipole antennas being considered is established to simulate the NSTL performance of the compact EMC chamber with different layout design of ferrite tiles. Furthermore, several designs of reduced coverage of the ferrite tiles in the compact chamber are proposed and discussed. In addition, this dissertation also investigates the correlation test of a 3m fully anechoic chamber ¡]FAC¡^ and a 10m semi-anechoic chamber ¡]SAC¡^ at frequency range from 80MHz to 1000MHz. Based on correction factor between two test sites, the EMI behaviors of the EUT in a 10m SAC could be predicted rapidly at frequency from 200MHz to 900MHz. Thus, a 3m FAC has been expected to provide a low cost as a pre-compliance test site, if the predicted EMI behaviors of the EUT are close to the practical measured results in a 10m SAC.

The operation speed of modern computer system has been upgraded from several hundred MHz to GHz. The instant current will pass to the power plane of the mother board by way of the IC pins and result in electromagnetic wave propagation between the power and ground plane, so called ¡§Ground bounce.¡¨ To prevent the ground bounce from IC operation, decoupling capacitors are used. In this thesis, an efficient numerical approach which is based on the two-dimensional (2D) finite-difference time-domain (FDTD) method and with a new recursive algorithm has been used for modeling the power/ground planes characteristics with SMT capacitors above them. By the way, we take several methods, such as Debye model, FDTD-SPICE, and telegrapher¡¦s equation, for modeling various mother board structures. Finally, we use the genetic algorithm for calculating the optimum capacitor placements to meet the expect ground bounce limitation.

Thesis (Ph.D)--Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009. / Committee Chair: Smith, Glenn; Committee Member: Buck, John; Committee Member: Goldsztein, Guillermo; Committee Member: Peterson, Andrew; Committee Member: Scott, Waymond. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

Quantifying and characterizing isolated tumor cells (ITCs) is of interest in surgical pathology and cytology for its potential to provide data for cancer staging, classification, and treatment. Although the independent prognostic significance of circulating ITCs has not been proven, their presence is gaining clinical relevance as an indicator. However, researchers have not established an optimal method for detecting ITCs. Consequently, this Ph.D. dissertation is concerned with the development and evaluation of dielectric spectroscopy as a low-cost method for cell characterization and quantification. In support of this goal, ultra-wideband (UWB), microwave pulse generator circuits, coaxial transmission line fixtures, permittivity extraction algorithms, and dielectric spectroscopy measurement systems were developed for evaluating the capacity to quantify B16-F10 tumor cells in suspension. First, this research addressed challenges in developing tunable UWB circuits for pulse generation. In time-domain dielectric spectroscopy, a tunable UWB pulse generator facilitates exploration of microscopic dielectric mechanisms, which contribute to dispersion characteristics. Conventional approaches to tunable pulse generator design have resulted in complex circuit topologies and unsymmetrical waveform morphologies. In this research, a new design approach for low-complexity, tunable, sub-nanosecond and UWB pulse generator was developed. This approach was applied to the development of a novel generator that produces symmetrical waveforms (patent pending 60/597,746). Next, this research addressed problems with transmission-reflection (T/R) measurement of cell suspensions. In T/R measurement, coaxial transmission line fixtures have historically required an elaborate sample holder for containing liquids, resulting in high cost and complexity. Furthermore, the algorithms used to extract T/R dielectric properties have suffered from myriad problems including local minima and half-wavelength resonance. In this dissertation, a simple coaxial transmission line fixture for holding liquids by dispensing with the air-core assumption inherent in previous designs was developed (patent pending 60/916,042). In addition, a genetic algorithm was applied towards extracting dielectric properties from measurement data to circumvent problems of local minima and half wavelength resonance. Finally, in this research the capacity for using dielectric properties to quantify isolated B16-F10 tumor cells in McCoy's liquid medium was investigated. In so doing, the utility of the Maxwell-Wagner mixture formula for cell quantification was demonstrated by measuring distinct dielectric properties for differing volumes of cell suspensions using frequency- and time-domain dielectric spectroscopy.

Το παρακάτω κείμενο αποτελεί διπλωματική εργασία που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Επικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός μας, ήταν η επίλυση των εξισώσεων του Maxwell σε προβλήματα που αφορούν το σφαιρικό και το κυλινδρικό σύστημα συντεταγμένων. Στην προσπάθεια αυτή κάναμε χρήση της μεθόδου επίλυσης των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D) σε δύο ειδών εφαρμογές: η πρώτη αφορά έναν κυλινδρικό κυματοδηγό, τον οποίο μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του κυλινδρικού συστήματος συντεταγμένων και η δεύτερη αφορά μια κωνική κεραία UWB, την οποία μοντελοποιήσαμε με τη βοήθεια του σφαιρικού συστήματος συντεταγμένων. Η προσομοίωση αυτών των δύο εφαρμογών γίνεται με τη βοήθεια του προγραμματιστικού περιβάλλοντος της Matlab. Επειδή η μέθοδος F.D.T.D επιλύει τις εξισώσεις του Maxwell στο χρόνο μας προσφέρει τη δυνατότητα της οπτικής απεικόνισης των πεδίων σε διάφορες χρονικές στιγμές, κάτι που μας επιτρέπει να παρατηρούμε τη χρονική εξέλιξη των φαινομένων. Η μέθοδος γίνεται ιδιαίτερα ελκυστική λόγω του επιπρόσθετου χαρακτηριστικού της απευθείας επίλυσης των εξισώσεων στροβιλισμού του Maxwell, καθιστώντας παράλληλα περιττή την επίλυση της κυματικής εξίσωσης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις υπολογιστικές τεχνικές στον ηλεκτρομαγνητισμό. Επίσης γίνεται μια πρώτη αναφορά στη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (F.D.T.D), στις δυνατότητες της μεθόδου, στο πεδίο εφαρμογής της καθώς και στα πλεονεκτήματά της. Στο κεφάλαιο δύο παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις στροβιλισμού και οι βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις που προκύπτουν από αυτές στις τρεις και δύο διαστάσεις. Στις δύο διαστάσεις γίνεται διάκριση σε εγκάρσιο ηλεκτρικό ρυθμό (Transverse Electric) και εγκάρσιο μαγνητικό ρυθμό (Transverse Magnetic). Τέλος παρουσιάζονται οι εξισώσεις του Maxwell που ισχύουν για τα σκεδαζόμενα πεδία. Στο κεφάλαιο τρία παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία της μεθόδου F.D.T.D, τα οποία πρέπει να γίνουν κατανοητά προκειμένου να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται οι εξισώσεις πεπερασμένων διαφορών, που προκύπτουν από τις βαθμωτές διαφορικές εξισώσεις, που προκύπτουν από τις εξισώσεις στροβιλισμού του Maxwell. Στη συνέχεια παρουσιάζονται βασικά χαρακτηριστικά της μεθόδου, όπως η επιλογή του χωρικού και χρονικού βήματος και η δημιουργία πηγών. Μετά παρουσιάζεται η σημαντικότερη απορροφητική οριακή συνθήκη PML του Berenger και τέλος οι υπολογιστικές απαιτήσεις του αλγορίθμου F.D.T.D. Στο κεφάλαιο τέσσερα επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις και συγκεκριμένα το πρόβλημα των ρυθμών διάδοσης TM και ΤΕ εντός κυλινδρικού κυματοδηγού με υλικό εντός του τον αέρα. Στο κεφάλαιο πέντε επιλύονται προβλήματα σε δύο διαστάσεις. Συγκεκριμένα παρουσιάζει την ανάπτυξη ενός σετ εργαλείων λογισμικού που είναι χρήσιμα στην ανάλυση κεραιών και δομών εξαιρετικά ευρείας ζώνης (UWB). Αυτά τα εργαλεία χρησιμοποιούνται στην εκτέλεση προσομοίωσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου (FDTD) μίας κωνικής κεραίας με συνεχές κύμα (CW) και παλμικές διεγέρσεις UWB. Η κεραία αναλύεται με τη χρήση εξισώσεων σφαιρικών συντεταγμένων FDTD που προέρχονται από τις βασικές αρχές. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τη διέγερση τύπου συνεχούς κύματος (CW) συγκρίνονται με τα αποτελέσματα από προσομοιώσεις και μετρήσεις σε δημοσιευμένες πηγές· τα αποτελέσματα της διέγερσης UWB είναι νέα. Τα παραπάνω προβλήματα κάνουν σαφές το πόσο σημαντικό είναι να γνωρίζουμε σε βάθος τα χαρακτηριστικά της μεθόδου προκειμένου να φτάσουμε στην λύση τους. Σε περιπτώσεις όπου γνωρίζουμε τη λύση εκ των προτέρων (είτε ποιοτικά ή ποσοτικά) έχουμε τη δυνατότητα να επαληθεύσουμε την ορθότητα των αποτελεσμάτων της F.D.T.D. Οι λύσεις των προβλημάτων β ασίζονται στην εύρεση των ολικών πεδίων. Ο εναλλακτικός τρόπος της εύρεσης των σκεδαζόμενων πεδίων δεν χρησιμοποιείται. Βέβαια στα προβλήματα ακτινοβολίας κεραιών υποχρεωτικά εφαρμόζεται η διατύπωση των ολικών πεδίων. Μέσω αυτής της εργασίας έγινε σαφής η ικανότητα της F.D.T.D να εφαρμόζεται σε μεγάλη ποικιλία προβλημάτων. Κάτι που δεν έγινε σαφές είναι η δυνατότητα της μεθόδου να συνδυάζεται με άλλες μεθόδους, κάτι που μπορεί να επιφέρει σημαντική καταστολή ή και εξάλειψη των μειονεκτημάτων της. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται νέες υβριδικές μέθοδοι. Με τις μεθόδους εύρεσης των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων (όπως είναι η F.D.T.D) έχουμε τη δυνατότητα να δούμε τον ηλεκτρομαγνητισμό από νέα σκοπιά, κατανοώντας τον καλύτερα και προσαρμόζοντάς τον στις σύγχρονες ανάγκες της εποχής. / -

A workflow for the discrimination of multi-peak anomalies due to an unexploded ordnance (UXO) is presented. The effects of changes in the depth and orientation of a subsurface target on its TEM response are explored. Further, the variation of the peak separation, peak widths, maxima to minimum ratios and maxima values through time are modelled. Models of spatial and temporal variations are performed for both one and twotargets. These models are devoid of noise and focus primarily on the 3lb FLBGR bomb. It is found that the decay of the magnitudes of the anomaly maxima are related to the decay of the characteristic polarization curves of the UXO that creates them. The behaviour of the decay of the magnitudes of the maxima values of multi-peak anomalies is determined to be a good indication of target number in the subsurface. Observing these decays, it is possible to distinguish between two multi-peak scenarios, namely: a) a multipeak anomaly produced by a single UXO or two UXOs of the same type; and b) a multipeak anomaly produced by two UXOs of different types.

Disertacijos darbo tikslas buvo sukurti ir ištirti puslaidininkinius terahercinių (THz) impulsų emiterius ir detektorius, skirtus sistemoms, naudojančioms 1 μm bangos ilgio femtosekundinę lazerinę spinduliuotę. THz impulsų generavimo ir detektavimo sistema, kurios optoelektroninius puslaidininkinius komponentus aktyvuoja femtosekundiniai lazerio impulsai, yra plačiai taikoma terahercinėje laikinės srities spektroskopijoje. Tradiciškai tokiose sistemose naudojami Ti:safyre femtosekundiniai lazeriai, kurių spinduliuotės bangos ilgis yra ~800 nm. Šios sistemos nėra patogios dėl jų matmenų, nes lazeriai turi sudėtingą kelių pakopų kaupinimo sistemą. Pastaruoju metu THz impulsų generavimui vis dažniau naudojami femtosekundiniai kietakūniai ir šviesolaidiniai lazeriai, kurių spinduliuotės bangos ilgis patenka į artimosios IR spinduliuotės sritį. Tačiau šios sistemos vis dar neturi tinkamos medžiagos fotolaidiems elementams gaminti, kurie būtų žadinami 1 – 1,55 µm bangos ilgio lazeriais. Tokios medžiagos, visų pirmą, turi būti jautrios optinei spinduliuotei, o jų draustinės energijos tarpas turi atitikti žadinamos spinduliuotės fotonų energiją, be to sluoksniai turi pasižymėti didele tamsine varža bei labai trumpomis krūvininkų gyvavimo trukmėmis (~ 1 ps). Šioje disertacijoje yra pateikiami THz impulsų generavimo panaudojus puslaidininkių paviršius ir fotolaidžias antenas rezultatai, žadinant 1 µm bangos ilgio femtosekundiniais lazerio impulsais. / The aim of dissertation was to develop and explore the semiconductor material terahertz (THz) pulse emitters, for Terahertz time–domain spectroscopy (THz–TDS) systems using a 1 μm wavelength femtosecond laser radiation. THz pulse generation and detection using optoelectronic semiconductor components in THz–TDS excited by femtosecond laser pulses become these days a powerful experimental technique. Traditionally, mode-locked Ti:sapphire lasers emitting at the wavelengths ~800 nm are used. However Ti:sapphire lasers require many-stage optical pumping arrangement, the system is quite bulky and complicated. The solution could be the lasers emitting in 1 – 1.55 µm, which can be directly pumped by diode laser bars. Recently, several compact, efficient and cost-effective solid-state and fiber laser systems that generate femtosecond pulses at near-infrared wavelengths have been developed and employed for activating THz–TDS systems. The main obstacle of these systems is the lack of material with appropriate bandgap, high dark resistivity and short (~ ps) carrier lifetimes.

The aim of dissertation was to develop and explore the semiconductor material terahertz (THz) pulse emitters, for Terahertz time–domain spectroscopy (THz–TDS) systems using a 1 μm wavelength femtosecond laser radiation. THz pulse generation and detection using optoelectronic semiconductor components in THz–TDS excited by femtosecond laser pulses become these days a powerful experimental technique. Traditionally, mode-locked Ti:sapphire lasers emitting at the wavelengths ~800 nm are used. However Ti:sapphire lasers require many-stage optical pumping arrangement, the system is quite bulky and complicated. The solution could be the lasers emitting in 1 – 1.55 µm, which can be directly pumped by diode laser bars. Recently, several compact, efficient and cost-effective solid-state and fiber laser systems that generate femtosecond pulses at near-infrared wavelengths have been developed and employed for activating THz–TDS systems. The main obstacle of these systems is the lack of material with appropriate bandgap, high dark resistivity and short (~ ps) carrier lifetimes. / Disertacijos darbo tikslas buvo sukurti ir ištirti puslaidininkinius terahercinių (THz) impulsų emiterius ir detektorius, skirtus sistemoms, naudojančioms 1 μm bangos ilgio femtosekundinę lazerinę spinduliuotę. THz impulsų generavimo ir detektavimo sistema, kurios optoelektroninius puslaidininkinius komponentus aktyvuoja femtosekundiniai lazerio impulsai, yra plačiai taikoma terahercinėje laikinės srities spektroskopijoje. Tradiciškai tokiose sistemose naudojami Ti:safyre femtosekundiniai lazeriai, kurių spinduliuotės bangos ilgis yra ~800 nm. Šios sistemos nėra patogios dėl jų matmenų, nes lazeriai turi sudėtingą kelių pakopų kaupinimo sistemą. Pastaruoju metu THz impulsų generavimui vis dažniau naudojami femtosekundiniai kietakūniai ir šviesolaidiniai lazeriai, kurių spinduliuotės bangos ilgis patenka į artimosios IR spinduliuotės sritį. Tačiau šios sistemos vis dar neturi tinkamos medžiagos fotolaidiems elementams gaminti, kurie būtų žadinami 1 – 1,55 µm bangos ilgio lazeriais. Tokios medžiagos, visų pirmą, turi būti jautrios optinei spinduliuotei, o jų draustinės energijos tarpas turi atitikti žadinamos spinduliuotės fotonų energiją, be to sluoksniai turi pasižymėti didele tamsine varža bei labai trumpomis krūvininkų gyvavimo trukmėmis (~ 1 ps). Šioje disertacijoje yra pateikiami THz impulsų generavimo panaudojus puslaidininkių paviršius ir fotolaidžias antenas rezultatai, žadinant 1 µm bangos ilgio femtosekundiniais lazerio impulsais.

In this thesis, a method of distortion analysis of electromagnetic field sensors using orthogonal polynomial subspaces is presented. The effective height of the sensor is viewed as the impulse response of a linear system. The impulse response corresponds to a linear transformation which maps every electromagnetic incident field waveform to a received voltage waveform. Hermite and Laguerre orthogonal polynomials are used as the basis sets for the subspace of incident electromagnetic field waveforms. Using the selected basis set, a transformation matrix is calculated for the sensors. The transformation matrices are compared to a reference transformation matrix as a measure of distortion. The transformation matrices can describe the sensor behavior up to a certain frequency range. The limits on this frequency range are investigated for both Hermite-Gauss and Laguerre functions. The unique property of Laguerre functions is used to prove that the transformation matrix has a particular pattern. This method is applied on case studied sensors both in computer simulation and measurements.